1、 第第4章章 电感式传感器电感式传感器 4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 4.1.1 工作原理工作原理 变磁阻式传感器的组成：变磁阻式传感器的组成：线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 S1l1L1W23l21线 圈；2铁 芯(定 铁 芯)；3衔 铁(动 铁 芯)S2 铁芯和衔铁由铁芯和衔铁由导磁材料导磁材料制成：制成：1.硅钢片硅钢片 2.坡莫合金坡莫合金 1.硅钢片硅钢片 硅的作用：硅的作用：提高铁的电阻率，提高铁的电阻率，增大磁导率增大磁导率
2、,降低矫顽力、降低矫顽力、降低铁芯损耗（铁损）。降低铁芯损耗（铁损）。2.坡莫合金坡莫合金 坡莫合金：即坡莫合金：即铁镍铁镍合金。合金。镍：近似银白色、硬而有延展性并镍：近似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素具有铁磁性的金属元素,它能够高度磨光和抗腐蚀。它能够高度磨光和抗腐蚀。在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为度为，传感器的运动部分与衔铁相连。传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，发生改变，引起磁路中引起磁路中磁阻变化磁阻变化，从而导致电感线，从而导致电感线圈的圈的 L 变化变化。只要能测出只要能测出 L 的变化
3、，就能确定衔的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。铁位移量的大小和方向。WLII 由由磁路欧姆定律磁路欧姆定律，得得 mI WR Rm 为磁路总磁阻。为磁路总磁阻。121 122002mllRSSS 1铁芯材料的铁芯材料的导磁率（磁导率）导磁率（磁导率）；2衔铁材料的导磁率；衔铁材料的导磁率；l1磁通量通过铁芯的长度；磁通量通过铁芯的长度；l2磁通量通过衔铁的长度；磁通量通过衔铁的长度；变磁阻式传感器变磁阻式传感器 S1l1L1W23l21线 圈；2铁 芯(定 铁 芯)；3衔 铁(动 铁 芯)S2 S1铁芯的截面积；铁芯的截面积；S2衔铁的截面积；衔铁的截面积；0空气的导磁率；空气的导磁率；
4、S0气隙的截面积；气隙的截面积；气隙的厚度。气隙的厚度。100112002222lSSlSS 002mRSWLImI WR 2002WSLS1铁芯的截铁芯的截面积；面积；S2衔铁的截衔铁的截面积；面积；0空气的导空气的导磁率；磁率；S0气隙的截气隙的截面积；面积；气隙的厚气隙的厚度。度。当线圈匝数为常数时，当线圈匝数为常数时，L 仅仅是仅仅是Rm的函数，改变的函数，改变或或 S0 均可导致电感变化。均可导致电感变化。变磁阻式传感器又可分为变气隙厚变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度度的传感器和变气隙面积的传感器和变气隙面积 S0 的传感器。的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式目前使用最广泛的是
5、变气隙厚度式电感传感器。电感传感器。4.1.2 输出特性输出特性 L与与之间是之间是非线性非线性关系关系 2002WSL图4-2 变隙式电压传感器的L-特性L 0 0oL0L0 LL0 L 当衔铁处于初始位置时，初始电当衔铁处于初始位置时，初始电感量为感量为200002S WL 当衔铁上移当衔铁上移时，时，20000002()1WSLLLL 当当/02LC且且2LC 1时，时，222222222221(1)(1)LCj LLCQRZLCLCLCLCQQ2222(1)(1)Rj LZLCLC 2222;(1)(1)RRL CLLL C 令 ZRjL C 的存在，使有效串联损耗电阻及的存在，使有效
6、串联损耗电阻及有效电感增加，而有效有效电感增加，而有效 Q 值减小。值减小。在有效阻抗不大的情况下，它会使在有效阻抗不大的情况下，它会使 K 提高，从而引起传感器性能的变化。提高，从而引起传感器性能的变化。在测量中若更换连接电缆线的长度，在测量中若更换连接电缆线的长度，在在激励频率较高激励频率较高时应对传感器的灵时应对传感器的灵敏度重新进行校准。敏度重新进行校准。2.交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路 交流电桥测量电路 Z1Z2Z3RZ4RoUU12()()oRZUULLZ ZR 当衔铁往上移动当衔铁往上移动 时，时，差动传感差动传感器电感的总变化量器电感的总变化量L=L1+L2241200
7、0021LLLL 对上式进行线性处理对上式进行线性处理,即忽略高次项得即忽略高次项得 002LL0002LLK 002K 单线圈式和差动式两种变间隙电感单线圈式和差动式两种变间隙电感传感器的特性比较：传感器的特性比较：差动式变间隙电感传感器的灵敏差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的度是单线圈式的两倍两倍。差动式的线性度得到明显改善。差动式的线性度得到明显改善。0002UL电桥输出电压与电桥输出电压与成正比关系。成正比关系。3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥 UC2U2UZ1Z2oUABD 变压器式交流电桥 电桥两臂电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变
8、压器次级线圈的另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。阻抗。当负载阻抗为无穷大时，当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压桥路输出电压 2211212122oZZZ UUUUZZZZ 21122oZZ UUZZ 21122oZZ UUZZ 当传感器的衔铁处于中间位置，当传感器的衔铁处于中间位置，即即Z1=Z2=Z，此时有此时有 电桥平衡。电桥平衡。0oU 当衔铁上移时，当衔铁上移时，如如 Z1=Z+Z，Z2=Z Z时，时，22oZ UL UUZL 2oL UUL 当衔铁下移时，当衔铁下移时，如如 Z1=ZZ，Z2=Z+Z，22oZ UL UUZL 2oL UUL 衔铁上移，衔铁上移，2oL UU
9、L 衔铁下移衔铁下移2oL UUL 衔铁上下移动相同距离时，输出电衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于由于 是交流电压，输出指示无法是交流电压，输出指示无法判断位移方向，判断位移方向，必须配合必须配合相敏检波电路相敏检波电路来解决。来解决。U 4.谐振式测量电路谐振式测量电路 分类：分类：谐振式谐振式调幅调幅电路电路 谐振式谐振式调频调频电路电路 谐振式调幅电路 oUOL0LoUTUCL(a)(b)oUOL0LoUTUCL(a)(b)oUOL0LoUTUCL(a)(b)输出电压的频率与电源频率输出电压的频率与电源频率相同相同
10、，输出电压的幅值随着电感输出电压的幅值随着电感 L 而变化，而变化，其中其中 L0 为谐振点的电感值。为谐振点的电感值。电路的优点：电路的优点：灵敏度很高，灵敏度很高，不足：不足：线性差，线性差，适用于线性度要求不高的场合。适用于线性度要求不高的场合。谐振式调频电路谐振式调频电路 谐振式调频电路 GCLffoL(a)(b)GCLffoL(a)(b)GCLffoL(a)(b)电感电感 L 的变化将引起输出电压频的变化将引起输出电压频率的变化。率的变化。12fLC 根据根据 f 的大小即可测出被测量的值。的大小即可测出被测量的值。它具有严重的非线性关系。它具有严重的非线性关系。4.1.4 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 变隙电感式压力传感器结构图 线 圈铁 芯衔 铁膜 盒PUA 变隙式差动电感压力传感器 线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁输出P
